陳志仙

（福建安瀾水利水電勘察設計院有限公司，福建 龍巖 364000）

小型水電站單機容量為1000～10000 kW的水輪發(fā)電機，針對發(fā)電機的短路事故和故障，作用于跳發(fā)電機出口斷路器的保護，主要有縱聯(lián)差動保護、復合電壓啟動的過電流保護以及過電壓保護和失磁保護，其中縱聯(lián)差動保護是反應發(fā)電機定子繞組及出線的故障，保護瞬時動作于跳發(fā)電機出口斷路器及停機?，F(xiàn)階段采用的微機自并勵發(fā)電機，在發(fā)電機及引出線上發(fā)生短路，根據(jù)短路電流的衰減特性，短路發(fā)生后經(jīng)過半個周期，短路電流的瞬時值達到最大，短路電流持續(xù)1 s后就會有不同程度的下降，而后隨著非周期分量的衰減，一般認為4 s后周期分量衰減而到穩(wěn)態(tài)值，用單純的過電流保護作為后備保護，靈敏度達不到要求，因此增加了短路點的負序電壓和低電壓判據(jù)來保障保護的準確動作，采用復合電壓啟動的過電流保護作為發(fā)電機斷路器外部相間短路保護或者差動主保護因故拒動時的后備保護，同時作為相鄰元件變壓器、線路保護的遠后備保護，延時跳發(fā)電機斷路器。

采用復合電壓啟動過電流保護裝置的電流整定和負序電壓整定值在各種設計手冊中均有明確的整定值整定計算，但其保護的時限整定在《電力工程電氣設計手冊（電氣二次部分）》（能源部西北電路設計院編）［1］中沒有說明，在《水電站機電設計手冊（電氣二次）》（水電站機電設計手冊編寫組）［2］中有一句話說明對時限整定的說明：“以較短的時限動作于縮小故障影響范圍，以較長的時限動作于停機”，而在《小型水電站機電設計手冊（電氣二次）》（戴延年主編）［3］手冊中有相對比較明顯的說明。

從以上可以看出設計手冊都沒有對復合電壓啟動過電流保護給出一個較明確的整定時限計算指導，而在實際的小水電站中，發(fā)電機復合電壓啟動過電流保護的時間整定也是五花八門，各種時限整定的都有。

1 技改前存在的問題

閩西山區(qū)的引水式電站永定蘆下壩水電站建于20世紀70年代，在增效擴容設計改造前，原裝機容量為2×8750 kW，增效擴容后裝機2×12500 kW，電站兩回出線，一回110 kV線路與地調(diào)變電站聯(lián)絡，另一回近區(qū)35 kV出線是后期擴建直供鄉(xiāng)鎮(zhèn)35 kV變電站的企業(yè)負荷。原主接線如圖1所示，受當時的設計理念和地形影響，前期建設沒有考慮后期的擴建需求，后期擴建為了減少開挖方量、降低投資，近區(qū)變回路采用戶外布置方式，經(jīng)過戶內(nèi)的發(fā)電機母排搭接通過穿墻套管，架空跳線到布置在更高臺階、相對平坦的山頭的柱上隔離開關、真空開關后經(jīng)變壓器升壓后給35 kV近區(qū)饋線負荷。該電站處于山區(qū)多雷暴日區(qū)域，技改前多次出現(xiàn)該段跳線雷擊電桿事件，絕緣子被擊穿閃絡放電，造成圖1處d-1點的相間短路；另外電站還采用老式的GG（1A）-F高壓開關柜，這種柜型是敞開式，發(fā)電機母線裸露在柜體上空，也曾經(jīng)發(fā)生過小動物進入開關室短接母線引起火災事件。這兩種事故是電站多年運行中存在的較為嚴重的短路現(xiàn)象，技改必須著重解決。

圖1 原主接線圖

按照繼電保護范圍，上述d-1點和母線短路兩種情況都屬于發(fā)電機外部短路，發(fā)電機復合電壓啟動過電流保護裝置應該動作，以較短的時限跳發(fā)電機出口斷路器和變壓器高壓側斷路器，縮小故障范圍，較長的時限動作于停機，無論跳發(fā)電機斷路器還是停機，都將使廠用電消失。農(nóng)村水電站線路的后備保護一般采用過電流保護，其保護裝置時限按照選擇性動作時限配合的原則，根據(jù)潮流的走向，電站的輸電線路又與上一級送往負荷側的線路的保護時限進行配合，經(jīng)過這樣一系列的時限級差的配合，在末端負荷側的后備保護時限較短，靠近電站電源側的線路后備保護動作時限就整定的較長。電站輸電線路接入電網(wǎng)系統(tǒng)，電網(wǎng)公司按照上述的動作時限配合給定整定值。

根據(jù)以上原則，發(fā)電機的復合電壓啟動過電流保護實際上間接須要與線路的后備保護配合，永定蘆下壩電站出線的保護后備保護裝置經(jīng)地方調(diào)度給定，過電流時限為6 s，變壓器的后備保護又與線路的后備保護配合，經(jīng)過一個級差后為6.5 s，而發(fā)電機的后備保護復合電壓起動過電流保護同樣也跟變壓器的的后備保護的最大時限配合一個時限級差0.5 s，因此最后發(fā)電機的復合電壓起動過電流保護時限7.0 s。這在《電力系統(tǒng)繼電保護原理》（天津大學、賀家李、宋從矩編）［4］里也有說明類似發(fā)電機復合電力啟動過電流保護以及負序過電流保護的動作時限應保證外部短路時動作的選擇性，一般采用5～10 s。

在傳統(tǒng)的發(fā)電機繼電保護中，復合電壓啟動過電流保護作為發(fā)電機主保護的后備保護，很大意義上是保障差動主保護拒動時作為后備保護啟動，隨著微機繼電保護裝置的成熟利用，主保護拒動的概率很小?，F(xiàn)階段這種整定方式更大的意義，是本著動作選擇性的原則，保證保護動作的選擇性，保障電網(wǎng)供電的可靠性和連續(xù)性。因此無論作為發(fā)電機主保護的后備保護還是作為發(fā)電機外部相間短路的后備保護，在須要發(fā)電機復合電壓啟動過電流保護動作時，顯然事故延續(xù)的時間較長。圖1 d-1點的短路相當于母線短路，其短路電流與發(fā)電機端發(fā)生短路的短路電流大小基本一致，如果是不對稱的雷擊短路，定子負序電流所產(chǎn)生的負序旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子有2倍同步速的相對速度，將在轉(zhuǎn)子勵磁繞組、阻尼繞組、以及整個的轉(zhuǎn)子表面感應電流，這些電流將會引起轉(zhuǎn)子過熱被燒毀的事故，發(fā)電機外部不對稱短路除了產(chǎn)生較大幅值的短路電流，短路電流周期分量外還有非周期分量和負序兩倍頻率分量，這些分量長時間持續(xù)作用于機組，產(chǎn)生的交變電磁轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)子軸和定子基座上，會引起機組的振動，也會使定子繞組端部嚴重向外脹開彎曲，對發(fā)電機線圈端部固定結構破壞性也極大，容易留下隱患[5]。

蘆下壩電站出現(xiàn)的雷擊d-1點短路和母線短路，均處于發(fā)電機主保護差動保護范圍外，須要后備保護復合電壓啟動過電流保護動作，根據(jù)整定時限，短路電流持續(xù)7.0 s后動作跳開斷路器，切除故障點，短路電流持續(xù)時間較長，曾經(jīng)出現(xiàn)過機組過熱，繞組端部受到機械損壞松動，須要停電檢修。

現(xiàn)代的發(fā)電機斷路器制造水平的不斷提高，固有分閘時間較短，以及微機繼電保護裝置根據(jù)輸入電流電壓算法的不斷精準與完善，動作繼電器的動作時限不斷提高，整套繼電保護裝置自身的動作時間都力圖縮短，以避免擴大事故后果。但是由于受如上的這種時限的配合，這些先進技術的設備和裝置的優(yōu)點沒有體現(xiàn)出來。

因此，針對發(fā)電機的復合電壓起動的過電流保護，本著從保護發(fā)電機組本體出發(fā)，作為發(fā)電機主保護的后備保護，其動作時間的整定，與主保護差動保護的動作時限進行配合對機組更有利；另一方面，從電網(wǎng)逐級保護的選擇性動作來看，發(fā)電機的后備保護作為上一級元件的遠后備保護，其整定時間必須配合電網(wǎng)線路的保護時間來整定，這個時間根據(jù)電網(wǎng)給定的時間配合級差，一般整定時間較長。

水電站中變壓器是個大阻抗元件，變壓器低壓側短路與變壓器高壓側短路，發(fā)電機貢獻的短路電流的大小差距很大，如果保護裝置能夠根據(jù)短路電流的大小識別短路故障點，在發(fā)電機外部變壓器前發(fā)生短路時（如圖1中d-1點），較大的短路電流情況下快速切除故障點，而在較小的短路電流情況下（如圖中d-2點以外），作為上一級元件的遠后備保護，根據(jù)保護的逐級選擇性整定時間，以較大的時限來滿足保護動作選型性要求。這種思路在現(xiàn)代的微機保護裝置技術上，根據(jù)輸入電流電壓值進行算法分析，邏輯上是可以實現(xiàn)的。但是按照設計手冊，復合電壓啟動的過電流保護是根據(jù)最大負荷電流整定，而實際上無論變壓器前與變壓器后發(fā)生短路，短路電流基本都大于正常的負荷電流。所以根據(jù)短路電流大小用兩個時限來啟動保護動作無法實施。

2 采用的技改方案

針對d-1點和母線發(fā)生短路的這兩種情況，兩種思路方式，一種是技改采取相應的措施，杜絕短路事故，另一種是即使發(fā)生該種短路情況，盡快把發(fā)電機從短路點切除出來，保護發(fā)電機。根據(jù)上面的思路，從盡可能減少短路事故的概率出發(fā)，顯然原來的布置方式不妥，相當于把敞開式的發(fā)電機母線延長至戶外，增加了事故的概率，技改時改造一次設備開關柜，結合原有的設備土建基礎，把開關柜換成封閉式的XGN2-12型，把原來敞開式的母線布置在封閉的主母線室內(nèi)，減少了外界因素短接母線的概率。原有的近區(qū)饋線回路戶外布置方式，受雷電天氣影響，成為事故的另一個因素，設計思路把該回路作為戶內(nèi)開關柜布置方式，可以有效地避免雷電沖擊，但由于受原有高壓開關室空間的影響，無法多布置一個回路的間隔。分析d-1點短路是在高處的電桿或?qū)Ь€上，使絕緣子閃絡發(fā)生短路的情況較多，主要原因是該段線路絕緣水平低，技改增加該段跳線的絕緣子耐壓水平，更換該段導線采用絕緣架空導線，把遠處電桿的接地線延伸與主接地網(wǎng)連接，降低電阻。同時在近區(qū)變區(qū)域增加避雷針避雷措施，把雷擊電桿概率盡量降低。原布置方式利用柱上開關內(nèi)的電流互感器作為該回路的保護測量用電流互感器，布置于短路點d-1后面，無法反應故障點前面的電流，這使近區(qū)變饋線回路主保護失去保護作用，技改設計利用原有的布置特點，改造方案：把原發(fā)電機母線引出戶外的穿墻套管更換為電流互感器。同時增加一組近區(qū)變的差動保護裝置。把遠處近區(qū)變柱上開關及刀閘移至引出線側，使d-1點的短路在柱上開關后段。

改造布置參如圖2所示，這樣即使d-1發(fā)生短路，短路點發(fā)生在柱上開關后段，在近區(qū)出線主保護范圍內(nèi)，出線側電流互感器和35 kV側電流互感器檢測到事故電流，差動保護瞬時動作跳開柱上開關，不須要發(fā)電機復合電壓啟動過電流保護裝置啟動后延時跳出口斷路器以及停機，保障了廠用電的供電可靠性和發(fā)電機本體的安全，完成了繼電保護動作的選擇性。

圖2 改造布置圖

3 結束語

早期建設的農(nóng)村水電站，受當時規(guī)劃以及資金、觀念的限制，存在著分期建設計不合理，樞紐布置沒有統(tǒng)籌考慮，設備技術落后，布置空間局促等很多問題。因此，對于小型水電站的增效擴容技改中，不僅須要針對擴容進行設計，更須要針對電站多年運行中存在的問題和隱患進行分析，綜合考慮電站設備的布置方式和保護配置，合理地在一次設備樞紐布置上和落后的技術設備進行全面地統(tǒng)籌考慮，消除電站外部環(huán)境和內(nèi)部設備引起的事故隱患；靈活地配置各電氣設備的繼電保護裝置，盡量保障發(fā)生在每個電氣元件上的事故由主保護正確動作，避免事故時間延遲，保障水電站整體運行的安全性和可靠性。